北京時(shí)間 2 月 5 日消息，火星是太陽系中僅次于水星的第二小的行星，長期以來一直被認(rèn)為是一顆死寂的星球。但最近的一系列發(fā)現(xiàn)使科學(xué)家們開始重新思考火星的內(nèi)部活動是否仍在繼續(xù)。
很久以前，火星是一個(gè)充滿災(zāi)難的世界：巨大的火山噴發(fā)出熾熱的熔巖，摧毀了這顆紅色行星的表面。如今，這些火山十分安靜。由于缺乏任何熔巖存在的證據(jù)，科學(xué)家推測火星的火山活動在很久以前就停止了?；鹦堑挠⑽拿?“Mars”意思是羅馬戰(zhàn)神，但它似乎不太像戰(zhàn)神，而更像是戰(zhàn)神的手下敗將，顯得陰冷、平靜且毫無生氣。
然而，近期的研究表明，關(guān)于火星一片死寂的假設(shè)是完全錯(cuò)誤的?？茖W(xué)家從軌道飛行器的一系列探測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，火星的古老熔巖流并沒有原先想象的那么古老，其中一些似乎是在過去幾百萬年里，甚至可能是在最近幾萬年里從火山坑或裂縫中噴發(fā)出來的。
美國國家航空航天局(NASA)的 “洞察號”(InSight)著陸探測器已經(jīng)對火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩年的探測，并捕捉到了一些奇怪的地震信號，而這些信號來自一個(gè)年輕的火山活動地點(diǎn)。研究人員在 2020 年 12 月的一次會議上公布了這些結(jié)果，盡管尚無定論，但他們認(rèn)為洞察號可能 “聽”到了巖漿震動的聲音。根據(jù)此前的推測，火星的火山活動早在遠(yuǎn)古時(shí)代就已經(jīng)沉寂。
美國亞利桑那大學(xué)的行星科學(xué)家克里斯托弗 · 漢密爾頓說：“這是一個(gè)非常令人興奮的發(fā)現(xiàn)，如果得到證實(shí)，這將表明火星有機(jī)會躋身目前太陽系火山活動最為活躍的星球之列。”
如果未來的數(shù)據(jù)和分析證實(shí)火星確實(shí)存在巖漿，那將是一個(gè)革命性的發(fā)現(xiàn)。美國北卡羅萊納州立大學(xué)的行星科學(xué)家保羅 · 伯恩表示，這將成為十分有力的證據(jù)，支持科學(xué)家一段時(shí)間以來所持的一種猜測：一些火山活動看似完全停止的巖石行星其實(shí)并沒有 “死”，它們還 “活著”——或者換句話說，“這些世界的死亡非常緩慢”。
我們對行星內(nèi)部幾乎沒有確切的認(rèn)識，包括我們所生活的地球。這是一個(gè)不容忽視的問題。“行星的熱演化支配著一切，幾乎沒有例外，”伯恩說。從生物賴以生存的地表狀態(tài)，到行星大氣的演化，“這是同一個(gè)故事——行星正在冷卻。這是唯一重要的事情。”
火山活動是一顆行星內(nèi)部熱量的外在表現(xiàn)，也是它散熱的主要方式。與此同時(shí)，火山噴發(fā)也給行星表面涂上了一層新的物質(zhì)。如果能了解火星的火山如何形成，以及這些火山噴發(fā)巖漿的能力如何，我們就可以了解火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的演化，并將其與地球進(jìn)行比較。因此，如果洞察號探測到的真的是巖漿，那我們就離真正了解火星和地球更近了一步。
新的裂痕
火星無疑是一個(gè)火山世界，它的表面覆蓋著令人印象深刻的熔巖山和壯觀的熔巖流。在 45 億年歷史的早期章節(jié)中，火星誕生了太陽系中最高的火山——奧林帕斯山(Olympus Mons)。這座火山的規(guī)模大得離譜：高度幾乎是珠穆朗瑪峰的 3 倍;如果把它放在紐約之上，其邊緣幾乎可以從波士頓延伸到華盛頓特區(qū)。奧林帕斯山是盾狀火山，由流動性高的玄武巖質(zhì)長期噴發(fā)累積而成，其山頂?shù)钠苹鹕娇谑堑叵聨r漿庫空了之后塌陷形成的。整個(gè)火山的坡度非常緩，巨大的寬度使得從火星表面無法見其全貌;也就是說，在山腳下，你是看不到山頂?shù)模驗(yàn)槟沁h(yuǎn)在地平線之外。
奧林帕斯山的噴發(fā)似乎在很久以前就停止了。在很長一段時(shí)間里，研究人員認(rèn)為火星所有火山活動的跡象都在數(shù)億年前結(jié)束了，甚至可能是數(shù)十億年前。這個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)是關(guān)于內(nèi)太陽系演化的若干歸納。
以內(nèi)太陽系的 5 個(gè)巖石星球?yàn)槔?。金星和地球差不多?火星、水星和月球要小一些(火衛(wèi)一和火衛(wèi)二是火星的兩個(gè)土豆形狀的衛(wèi)星，比地球的月球還小一個(gè)數(shù)量級)。
紐約州立大學(xué)布法羅分校的行星火山學(xué)家特蕾西 · 格雷格表示，當(dāng)涉及如何為一個(gè)星球提供能源時(shí)，“最重要的是它的內(nèi)部”。很久以前，這 5 個(gè)星球的內(nèi)部都具有兩個(gè)豐富的熱量來源：一是在劇烈形成過程中遺留下來的原始熱量;二是放射性衰變所產(chǎn)生的熱量。這些熱量最終通過輻射和火山爆發(fā)釋放出來。
劇烈的火山爆發(fā)可以使行星降溫。對于更大的行星，如地球和金星，需要更長的時(shí)間來釋放內(nèi)部熱量，因此保持火山活動的時(shí)間也更長。平均而言，地球上已知的任何時(shí)刻都有 40 座火山在噴發(fā)。對于金星，目前我們還無法透過厚厚的云層看到其表面情況，但大量的間接證據(jù)表明，這顆行星幾乎肯定還在噴發(fā)。
較小的星球似乎會更快地耗盡燃料。自從人類第一次將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)火星以來，在四個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，我們一直沒有發(fā)現(xiàn)火星有火山爆發(fā)的跡象，研究者也因此假設(shè)火星的火山活動早已停止。
但近年來，科學(xué)家在估計(jì)火星陷入沉寂的確切時(shí)間時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些蹊蹺。2017 年的一項(xiàng)研究表明，火星上另一座巨大火山——阿爾西亞山(Arsia Mons)——的破火山口中的熔巖可能出現(xiàn)在 5000 萬年前，那時(shí)候霸王龍已經(jīng)在地球上滅絕了很久。
然后就是科珀洛斯槽溝(Cerberus Fossae)。
2019 年，研究人員對幾次 “火星震”事件進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)這些事件都可以追溯至科珀洛斯槽溝。該地區(qū)具有數(shù)條狹長的裂縫，寬數(shù)百米，總長超過一千公里，是火星上發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)活躍的斷層帶。這是這個(gè)行星上非常奇怪的一個(gè)地方。
估計(jì)一顆行星表面年齡的最好方法是分析巖石，利用其元素的放射性衰變作為地質(zhì)時(shí)鐘。但目前為止，我們在地球上所見的火星巖石都是以隕石的形式出現(xiàn)的，而這些隕石可能來自火星表面的任何地方。因此，研究人員不得不依賴撞擊坑計(jì)數(shù)來進(jìn)行估算。簡單地說，如果像火星這樣的行星上沒有顯著的侵蝕過程，那么更古老的表面應(yīng)該有更多的撞擊坑。很顯然，撞擊坑計(jì)數(shù)無法給出絕對的年齡，只能給出相對的年齡。
科珀洛斯槽溝明顯缺乏撞擊坑，“它絕對是火星上最年輕的表面之一，”格雷格說。早期對科珀洛斯槽溝的軌道勘測表明，就地質(zhì)特征而言，某種流體曾在不久之前沖刷過該地區(qū)。在一段時(shí)間內(nèi)，研究人員無法確定這種流體是水還是熔巖。但在分析了過去 20 年來由高分辨率攝像機(jī)拍攝的圖像后，“我們能夠確定這兩種東西來自不同的時(shí)期，”格雷格說。
漢密爾頓指出，阿薩巴斯卡谷(Athabasca Valles)熔巖流是其中一次明顯的噴發(fā)，時(shí)間就在不到 2000 萬年前。在幾個(gè)星期的時(shí)間里，一股熔巖急流噴薄而出，覆蓋的面積超過了英國的面積。
漢密爾頓在不久前與人合著了一篇論文，目前正在進(jìn)行修改，準(zhǔn)備發(fā)表在《伊卡洛斯》(Icarus)期刊上。他們研究了科珀洛斯槽溝的一個(gè)較小的火山沉積區(qū)域。這些沉積物可能來源于一次劇烈的噴發(fā)，當(dāng)時(shí)火山灰覆蓋了這一地區(qū)。細(xì)致的撞擊坑計(jì)數(shù)表明，該區(qū)域的年齡可能只有 100 萬年，甚至是更加年輕的 53000 年——從行星歷史的角度，這簡直就像是昨天。
這篇論文的第一作者、亞利桑那州圖森市行星科學(xué)研究所的研究者大衛(wèi) · 霍瓦特表示，學(xué)術(shù)界長期以來一直懷疑科珀洛斯槽溝是一個(gè)非常年輕的火山活動場所，“我們只是在堆砌證據(jù)來支持這一觀點(diǎn)”。
不過，隨著對火星火山活動的年齡估計(jì)越來越年輕，又有了一個(gè)令人好奇的問題：火星現(xiàn)在是否仍有火山活動?
監(jiān)聽火星地震
2018 年 11 月 26 日，美國國家航空航天局的洞察號火星探測器在距離科珀洛斯槽溝約 1600 公里的火星埃律西昂平原(Elysium Planitia，又稱極樂平原)著陸。探測器的有效載荷包括一個(gè)熱流儀、一個(gè)磁力計(jì)和一個(gè)地震儀，這使它成為第一個(gè)裝備齊全的 “星際地球物理學(xué)家”。它將人類對地球內(nèi)部的理解匯總起來，并將其完全應(yīng)用到另一個(gè)星球上。
從地震的角度來說，火星比地球安靜得多。但洞察號的地震儀仍然捕捉到了一連串強(qiáng)度不一的火星地震信號。有些信號是斷層滑動，但更多信號并沒有明確的來源。在 2020 年 12 月美國地球物理聯(lián)盟的年會上，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的行星科學(xué)家沙侖 · 凱達(dá)爾及其同事提出了一種引人關(guān)注的可能性：一些低頻率的火星地震信號可能是地下深處巖漿流動的聲音。
他們的報(bào)告只展示了尚未經(jīng)過同行評議的初步結(jié)果，因此不能作為明確的斷言。該論文最近已被《地球物理研究雜志》(Journal of Geophysical Research)接收，但在發(fā)表之前，相關(guān)研究人員拒絕接受媒體的采訪。其他研究者表達(dá)了對這一發(fā)現(xiàn)的興趣，盡管他們還在等待更多的數(shù)據(jù)。格雷格說：“認(rèn)為這可能源于巖漿其實(shí)并不離譜。”
在地球上，地震學(xué)家可以通過使用多個(gè)地震儀來確定地下的震動聲。只要測量地震波在三個(gè)或更多地點(diǎn)的準(zhǔn)確到達(dá)時(shí)間，我們就可以對震源進(jìn)行三角定位。盡管在火星上只有一個(gè)地震儀，但這無疑是一個(gè)非常強(qiáng)大的地震儀。日本東京工業(yè)大學(xué)地球 - 生命科學(xué)研究所的全球地震學(xué)家克里斯汀 · 豪澤說：“他們并沒有隨便發(fā)射一臺地震儀，而是派出了有史以來最靈敏的地震儀之一。”
“我更愿意稱之為納米地震學(xué)，因?yàn)槲覀冋娴氖窃谟^察原子尺度上的運(yùn)動，”美國馬里蘭大學(xué)的地球科學(xué)家尼古拉斯 · 施默爾說道。他參與了洞察號的探測工作。在火星上，洞察號的地震儀甚至能捕捉到沙塵暴在寒冷沙漠上盤旋時(shí)發(fā)出的微弱轟隆聲。
洞察號的地震儀通過兩種方法來估計(jì)火星地震波的來源。第一種方法就像通過測量雷聲的延遲時(shí)間來估計(jì)雷擊的距離。地震波的兩個(gè)分量——縱波(P 波)和橫波(S 波)——以不同的速度傳播，它們之間的時(shí)間差可以使科學(xué)家計(jì)算出到震源的距離。
此外，地震波具有極化的特性：其一個(gè)分量為東西方向振動，另一個(gè)分量為南北方向振動，第三個(gè)分量則是垂直運(yùn)動的。洞察號測量了每個(gè)分量的相對強(qiáng)度，從而揭示了地震波的方向。沙侖 · 凱達(dá)爾的團(tuán)隊(duì)分析了 5 個(gè)神秘的火星地震事件。其中兩個(gè)事件具有強(qiáng)烈的極化信號，使得它們可以比較明確地追溯至科珀洛斯槽溝。這兩次地震似乎是常規(guī)的普通構(gòu)造地震。
其他三個(gè)地震事件的信號很弱，因此研究人員只能測量 P 波和 S 波到達(dá)時(shí)間的差異。研究團(tuán)隊(duì)也因此得出了一個(gè)距離。參與洞察號工作的英國布里斯托大學(xué)地震學(xué)家安娜 · 霍勒斯頓表示，在這一半徑范圍內(nèi)，科珀洛斯槽溝是最有可能產(chǎn)生地震信號的地方，但這些信號仍可能有其他來源。
這三個(gè)信號類似于地球上與流動的流體有關(guān)的信號。研究人員嘗試模擬產(chǎn)生這些信號的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)不能排除一種特殊的流體——巖漿。他們模擬了巖漿在 60 公里深處的狹窄通道中流動時(shí)產(chǎn)生的信號。
格雷格描述了這些巖漿運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生噪音的一種方式：“當(dāng)巖漿通過一個(gè)管道流動時(shí)，管道就會震動，就像你將空氣推入聲帶一樣。你的聲帶會振動，然后發(fā)出聲音。無論是水還是巖漿，發(fā)出的聲音都應(yīng)該是不同的，就像你吸過氦氣時(shí)聲音也會改變一樣。”
漢密爾頓表示，在地下 60 公里處，任何流體都必須是巖漿，而不是水。但加州大學(xué)圣克魯斯分校的行星科學(xué)家米沙 · 克雷斯拉夫斯基指出，這些微弱的信號并不包含足以提供精確震源深度的詳細(xì)信息。
地震信號也可能不是表面上看起來的那樣。美國西華盛頓大學(xué)的地震和火山學(xué)家杰姬 · 卡普蘭 - 奧爾巴赫指出，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^地面振蕩時(shí)，其高頻分量會比低能量分量更快地?fù)p失能量。也許在從科珀洛斯槽溝到洞察號旅程中，這些信號的高頻部分變?nèi)趿?，使其看起來就像低頻事件，而這通常與移動的巖漿有關(guān)。
不過，即使考慮到這些因素，科學(xué)家們依然對不能排除巖漿的存在感到興奮?？死姿估蛩够Q，到目前為止所得出的一切推測都是完全合理的。霍勒斯頓則持保留意見，但她補(bǔ)充道，這并不是說火星地下沒有巖漿。所有人都注意到，這些隆隆聲很可能來自火星上最年輕的火山部分，這不太可能是巧合。“這太棒了，”格雷格說，“我是說，這很有道理，對吧?”
當(dāng)然，科學(xué)家們還有很多工作要做，也需要更多的地震數(shù)據(jù)來完善這一假設(shè)。但不可否認(rèn)的似乎，洞察號獲得的數(shù)據(jù)正在改變我們對火星內(nèi)部的了解。
重新思考地球
近期有關(guān)火星的研究向我們強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)：我們對各個(gè)星球內(nèi)部的情況了解甚少。“我們不知道內(nèi)太陽系放射性元素的分布情況，”格雷格說，“我們什么都不知道。”如果假設(shè)火星具有與地球誕生時(shí)相同數(shù)量的放射性元素，那么一個(gè)寒冷的火星就是不合理的。但對于這種假設(shè)，“誰又能說它是真的呢?”
火星也不像地球那樣具有分裂的地殼：它缺乏可移動的構(gòu)造板塊，而這些板塊會讓熱量通過裂縫逸入太空。也許這有助于保持火星內(nèi)部的余溫。
如果能測量火星的內(nèi)部溫度，我們或許就能更容易地計(jì)算出火星的火山活動能力。但洞察號的熱傳感物理特性箱——被親切地稱為 “鼴鼠”(mole)——未能挖得足夠深，無法得到準(zhǔn)確的讀數(shù)。然而，洞察號的地震數(shù)據(jù)表明，火星內(nèi)部的溫度可能足以讓火山保持活躍，但方式與地球不同。
即使存在火山活動，科珀洛斯槽溝下的巖漿也可能永遠(yuǎn)不會再噴發(fā)到火星表面。盡管火星的巨型火山令人印象深刻，但許多巖漿似乎都注入了火星的上地殼，并停留在那里，有時(shí)會產(chǎn)生巨大的火山突起。
不過，火星表面的噴發(fā)是可能的?？赡懿幌竦厍虮砻婺菢用刻於紘姲l(fā)，但與地球一樣，火星也會時(shí)不時(shí)地發(fā)生史詩般的熔巖流——每次爆發(fā)之間相隔數(shù)百萬年。漢密爾頓說：“如果在 500 萬到 1000 萬年內(nèi)火星上沒有另一次大規(guī)模的地表噴發(fā)，我會感到不可思議。”
如果火星現(xiàn)在仍然有火山活動，那么另一顆較小的星球也可能如此。月球上有一塊區(qū)域看起來像一個(gè)由水銀液滴組成的大碗，而這些火山泡沫可能只有 1 億年的歷史。“火星的直徑只有地球的一半，”格雷格說，“我們甚至不能肯定地說，只有地球四分之一大小的月球已經(jīng)完全死寂。”
“我認(rèn)為月球在未來的某個(gè)時(shí)候還會再次噴發(fā)。”伯恩說，“我想水星也會，為什么不會呢?”這些星球可能并不像我們習(xí)慣認(rèn)為的那樣安靜。也許它們的火山在爆發(fā)之間停頓了太長時(shí)間，以至于人類沒有注意到——火山爆發(fā)不斷的地球反而像是一個(gè)異類。“從各個(gè)方面來看，地球都是很奇怪的一顆星球，”格雷格說。
